基于SPMC75的無刷直流電動機變頻控制

董昌春，孔祥洪

（1.上海電子信息職業技術學院 計算機應用系，上海 201411；2.上海水產大學 信息學院，上海201300）

基于SPMC75的無刷直流電動機變頻控制

董昌春1，孔祥洪2

（1.上海電子信息職業技術學院 計算機應用系，上海 201411；2.上海水產大學 信息學院，上海201300）

為了實現三相無刷直流電動機變頻控制，設計了以16位變頻芯片SPMC75F2413A單片機為控制核心的測試系統方案，并完成系統的軟硬件設計。該系統利用功率器件智能模塊IPM PS21563和霍爾傳感位置偵測，結合驅動算法來實現無刷直流電動機驅動和調速。試驗結果表明本系統穩定、靈活，達到了對無刷直流電動機的無級變頻調速的控制要求。

SPMC75F2413A單片機；無刷直流電動機；變頻控制

本文利用SPMC75F2413A來實現無刷直流電動機的變頻控制,其為馬達驅動專用芯片，方便產生各種驅動控制信號。傳統直流電動機采用機械換向裝置，運行時電刷和換向器之間產生噪聲、火花、電磁干擾，無刷直流電動機BLDC采用電子換向器，不僅運行效率高、無勵磁損耗、調速性能好，而且結構簡單、運行可靠、維護方便。

1　控制原理

1.1無刷直流電動機控制原理

無刷直流電動機的控制原理簡圖如圖1。主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5～24 kHz調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產生有效的六狀態編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產生V6－V1導通、V5－V6導通、V4－V5導通、V3－V4導通、V2－V3導通、V1－V2導通，也就是說將直流母線電壓依次加在U－> V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉子每轉過一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成6種狀態的依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環，無刷直流電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉［1,2］。

圖1　無刷直流電動機的控制原理簡圖

H1、H2和H3是霍爾傳感器的3個信號出線，V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5 3個功率管，下橋的V2、V4和V6 3個功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向。

1.2無刷直流電動機的驅動

IGBT信號的分配和電動機的位置有著緊密的聯系，本方案無刷直流電動機采用120度方波的算法驅動IPM的內置IGBT。根據位置狀態信息來分配IGBT的驅動信號，010、011、001、101、100和110是從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經過編碼后的6種狀態。在此通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在無刷直流電動機上的端電壓，選用IGBT的下橋臂分配高低電平，上橋臂分配PWM信號的驅動方式。信號分配和位置關系如圖2所示。

圖2　位置驅動信號關系

正轉的位置信號和驅動信號的關系如圖2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的順序換流，根據位置信號給出反轉時驅動信號的換流關系：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。

圖3指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關系。電動機內部的旋轉磁場是通過控制各個功率管的開/關，使得電流依序流入U、V、W三相線圈。

圖3　電流時序

2　硬件設計

硬件電路的設計［3-5］主要包括：控制器系統，IPM模塊及驅動，位置偵測，RS232通信和電源5個部分，各部分的框圖如圖4所示。

利用SPMC75的變頻技術對電動機的速度進行調節。電動機內部安裝的霍爾傳感器方便了電動機的驅動，其對驅動轉子的位置進行偵測，轉子現在的位置決定下個激磁相。自身具備保護機能的IPM模塊及驅動，簡化了SPMC75控制器和無刷直流電動機之間的聯系，提高了系統的可靠性。

圖4　系統框圖

3　軟件算法

在本控制系統中，由輸入和輸出狀態進行實時采樣，它是一個離散控制系統，PID控制器采用差分方程表示，有：

其中：u（k）――k次采樣周期的輸出

e（k）――k次采樣周期的偏差

T――采樣周期

在式（1）中，令：Δe（k）=e（k）-e（k-1）則有：

在上式（2）中，令：Ki=Kp/Ti，Kd=Kp*Td

則有：

由于

并且

Δe（k）=e（k）-e（k-1）

Δe（k-1）=e（k-1）-e（k-2）

所以有

上式也可以寫成

在純比例控制的作用下改變比例系數求出產生臨界振蕩的振蕩周期Tu和臨界比例系數Ku。

根據Z－N條件，有

T=0.1Tu

Ti=0.5 Tu

Td=0.125 Tu

代入式（7）則有：

采用上式可以十分容易的實現常數Kp的校正。

4　軟件流程

利用中斷對電動機進行實時處理，涉及到的中斷主要有：IRQ0的錯誤輸入和輸出中斷、IRQ1的PDC和TCV中斷、IRQ6的UART RXD中斷及CMT0的定時中斷。主程序［4,6］主要完成系統必要的初始化，主程序設計流程圖如圖5所示。

圖5　主程序設計流程圖

PDC、TCV、RXD和CMT0等中斷協助完成對BLDC的啟動、運行、速度調節和錯誤保護的控制。PDC、TCV中斷操作流程如圖6所示。

圖6　PDC、TCV中斷操作流程

5　結論

本設計采用120度上相PWM方波驅動帶霍爾位置傳感的無刷直流電動機并應用PID控制［7］，利用SPMC75的變頻技術來進行對電動機的速度調節，實現了對三相繞組無刷直流電動機的驅動［8-9］和調速。

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Brushless DC motor's variable-frequency control based on SPMC75

DONG Chang-chun1,KONG Xiang-hong2
（1.Department of Computer Application，Shanghai Technical Institute of Electronics&Information，Shanghai 201411,China；2.College of Information，Shanghai Fisheries University，Shanghai 201300,China）

This paper designed a system which took SPMC75 microcontroller as the core to realize the brushless DC motor's variable-frequency control.And designed the hardware and software of the system.It used Intelligent Power Module PS21563 and a hall sensor,combined with the driven algorithm to realize the brushless DC motor's drive and variable-frequency control. The test result showed that the system meet our requirements.

SPMC75F2413A；brushless DC motor；variable-frequency control

TN609

A

1674－6236（2016）13-0101-03

2015-04-22稿件編號：201504244

董昌春（1978—），男，山東青島人，碩士研究生。研究方向：計算機應用。